A méréstechnika kialakulása
A mai korszerű intelligens rendszereknél – úgy is mondhatjuk, mechatronikai rendszereknél – rendkívüli
jelentősége van a mérésnek. Mérés nélkül nincs szabályozás, szabályozás nélkül pedig nincs intelligens
rendszer. A legszemléletesebben ezt úgy lehet megérteni, ha megnézzük a különbséget a klasszikus gépészeti szemlélet és a korszerű mechatronikai szemléletmód között. A klasszikus mechanikai szemlélet általában azt vizsgálja, hogy a gépészeti rendszerre ható erők, nyomatékok, hőmérséklet-különbségek vagy nyomások hatására hogyan viselkedik a vizsgált rendszer, milyen változások fognak bekövetkezni.
Ezzel szemben a mechatronikai szemlélet fordított, mert azt mondja, hogy tudjuk, sokszor előírjuk, hogy minek kell bekövetkeznie, ezt meg is mérjük, és úgy változtatjuk a rendszerre ható erőket, nyomatékokat, hőmérsékletkülönbségeket vagy nyomásokat, hogy valóban azok a változások jelenjenek meg a kimeneten, mint amit előírtunk. Ebből következik, hogy a mechatronikai megközelítés a korszerűbb, már csak azért is, mert klasszikus mechanikai szemlélet mellett még sok minden mást (mérést, szenzorokat, aktuátorokat, jelfeldolgozást, irányítástechnikát) is tartalmaz. A méréstechnika kezdetei a történelem előtti időkre (pl. a nagy piramisok építése Egyiptomban) nyúlnak vissza, de igazán nagy lendületet a mechatronika kialakulásával kapott.
Fogalmak
Amplitúdódiagram: Különböző frekvenciájú szinuszos bemeneti jelek esetén megmutatja, hogy az átviteli tag kimenetén mekkora lesz az amplitúdó a bemenethez viszonyítva. Az amplitúdó arányát dB-ben, a frekvenciát logaritmikus léptékben szokás megadni.
Bode-diagram: az amplitúdó és a fázisdiagram ábrázolása a frekvencia függvényében
fázisdiagram: Különböző frekvenciájú szinuszos bemeneti jelek esetén megmutatja, hogy az átviteli tag
kimenetén mekkora lesz a fázisszög tolás a bemenethez viszonyítva. A fázisszöget lineáris, a frekvenciát
logaritmikus léptékben szokás megadni.
gráf: folyamatot egy vonallal és nyíllal leíró grafikus jelkép
jelfolyamgráf: a folyamatot gráfokkal leíró ábrázolásmód
Nyquist-diagram: az amplitúdó valós és képzetes részét, valamint a frekvenciát is egyetlen ábrában bemutató diagram
Operátortartomány: a független változó az s=δ+jω
P-szabályozó: arányos (proporcionális) karakterisztikájú szabályzó
I-szabályozó: integráló karakterisztikájú szabályzó
PD-szabályozó: arányos és differenciáló karakterisztikájú szabályzó
PID-szabályozó: arányos, integráló és differenciáló karakterisztikájú szabályzó
releváns frekvencia: jellemző frekvencia
A méréstechnika szerepe
A méréstechnika legfontosabb szerepe, hogy korszerű berendezések mérési funkció nélkül ma már nem
hozhatók létre. Ebből következően a méréstechnika megkerülhetetlen, szerepét három példán keresztül mutatjuk be. Az első az NC, CNC gépek szánszerkezetének pozícionálása. A vázlatos modellt az 1.1.2.1. ábra mutatja be.
Méréstechnika
A példában azt, hogy a szánszerkezet megfelelő helyzetben van-e vagy nincs, az inkrementális (növekményes) útadóval tudjuk megmérni. Ha nem értük el a kívánt helyzetet, a szabályzókör parancsot ad a működtető motornak (ez az aktuátor), hogy addig forgassa előírt irányban az orsót, ameddig a rajta lévő szán el nem éri az előírt pozíciót. Ezt pedig a mérésből, az útadó jeléből tudhatjuk meg.
A következő példa a nagy fordulatszámok esetén alkalmazott mágnesesen lebegtetett csapágyazás. A
gyakorlatban azért alkalmazzák, mert a lebegtetéssel a súrlódási nyomatékokat és ezzel a csapágyazásban keletkező hőfejlődést lehet radikálisan csökkenteni.
Prefixumok
A mérés mint modellalkotás
A mérési folyamat modellalkotással kezdődik még akkor is, ha erre nem gondolunk. Ha van egy a mérési feladat – pl. az, hogy megmérjük egy golyó átmérőjét –, a fejünkben rögtön egy modellalkotás zajlik le. Ez pedig így hangzik: meg kell mérni egy gömb átmérőjét. A modell a gömb, mint hibamentes geometriai alakzat. A valóságban megmérendő golyó azonban biztosan nem lesz hibamentes, a kérdés csak az, hogy mekkorák ezek a hibák. Tehát amikor mérünk, mindig kell lennie egy modellnek, ami elméletileg hibamentes, és amihez képest majd a valóságos mérésünk hibáit megadjuk. Fontos már itt is tudatában lenni annak, hogy hibái nemcsak a mért alkatrésznek lehetnek, hanem magának a mérőműszernek és a mérési folyamatnak is, sőt, hibát követhetünk el a mérési modell helytelen megválasztásával is.
Mennyiségek és egységek
Mértékegységek és etalonok
Könnyen belátható követelmény, hogy a méréshez szükségünk van mértékegységekre is. Az emberiség története folyamán, spontán módon ez a szükséglet különböző mértékegységeket hozott létre. A mértékrendszerek természetszerűleg nem voltak egységesek (a gyakorlatban sokszor még ma sem azok), ezért az átszámítások mindig problémát okoztak. A mértékegységek különbözősége előbb-utóbb a fejlődés gátjává vált, ezért megjelent az igény a mértékegységek egységesítésére, ez a folyamat napjainkban is tart. https://mkeh.gov.hu/meresugy/metrologia/vim6
Mértékegység-rendszerek
Egy fizikai mennyiség mértékegységének megválasztásakor látszólag szabadok vagyunk. Ez nem teljesen így van, mert csupán az alapegységek megválasztásakor van szabadságunk: a mértékegységek ugyanis rendszert alkotnak, amelyeket fizikai törvények kapcsolnak össze. Egy mértékrendszer akkor koherens, ha az alapegységekből származtatott mennyiségek egységeit ugyanazokkal az összefüggésekkel értelmezzük, mint amilyenekkel a fizikai mennyiségeket értelmeztük. Ilyen rendszer a System International, vagyis az SI rendszer.
Az SI rendszer alapegységei
Alapmennyiség: Megállapodásszerűen egymástól függetlennek tekintett mennyiség egy adott rendszerben.
Az alapmennyiségeken kívül használunk még kiegészítő egységeket is. Ezek a radián (síkszög) – rad és a
steradián (térszög) – sr.
2.4. Az SI rendszer
Az SI rendszer kialakulása egy történelmi fejlődés eredménye. Ennek egyik legfontosabb eseménye, amikor
1791-ben a Francia Akadémia elfogadta a méteren alapuló mértékrendszert. Az SI rendszer 1960 óta törvényes
rendszer Magyarországon is. (Használata azonban nem kizárólagos sem nálunk, sem más országokban, azonban
mindenképpen célszerű.)
2.5. Származtatott SI egységek
Származtatott mennyiségek: Ezek az alapmennyiségek függvényeként vannak meghatározva.
Az SI rendszerben a mértékegységek többszöröseinek vagy törtrészeinek kifejezésére a tízes számrendszerben
előtagokat (prefixumokat) használunk.
Berendezések
– Bevezetés, az irányítástechnika alapfogalmai
– Matematikai alapok, dinamikus rendszerek
– Lineáris rendszerek építőelemei, folytonos idejű folyamatok leírása
– Lineáris folytonos idejű rendszerek stabilitása, minőségi jellemzők
– Diszkrét idejű folyamatok rendszertechnikai leírása
– Diszkrét idejű rendszerek stabilitása, minőségi jellemzők
– Lineáris tagok jelátvivő tulajdonságai
– Lineáris szabályozás stabilitása, vizsgálati módszerek
– Szabályzási kör zavarelhárítási tulajdonságai
– Szabályzási kör szintézise, kompenzációs szabályzók
– Mintavételes rendszerek tulajdonságai
– Digitális irányító rendszerek tervezése, felépítése, komponensei,
sajátosságai
– Digitális jelformálás, jelfeldolgozás
Az irányítás olyan művelet, mely valamely folyamatot elindít, fenntart,
megváltoztat vagy megállít
– Az irányítási művelet során általában kisebb energiájú hatásokkal befolyásolunk nagyobb
energiájú folyamatokat. (példa: atomerőmű szabályzórudak, gőz-szelep,stb…)
• „Az irányítástechnika a műszaki tudományok azon ága, amely a különféle
(műszaki, biológiai, közgazdasági stb.) területeken az irányítási műveletek
általános törvényszerűségeivel, vizsgálati módszereivel és az irányítások
tervezésével és realizálásával foglalkozik” [Lantos Béla]
• Az irányítástechnika célja, hogy adott rendszerek viselkedését általunk kívánt
tulajdonságúvá, megadott szempontoknak, céloknak megfelelővé tegye.
• A technikai fejlődés elengedhetetlen alappillére
• Modern világunk elképzelhetetlen lenne az irányítástechnika vívmányai nélkül
– Automatizált gyártósorok, ipari robotok, erőművek, repülőgépek, autóipar, vegyipar,
űrkutatás…
Példák irányítási rendszerekre:
– Az emberi testben lejátszódó biokémiai folyamatok
• Vércukorszint állandó értéken tartása
– Éhségérzet, evés, táplálék lebontása, raktározás, zsírégetés … stb.
– Ember által irányított folyamatok
• Poharat a szánkhoz emeljük
– Agyunk, mint döntéshozó (szabályozó) szerv, az érzékszerveink (látás, hallás, tapintás stb..) által közvetített
információk alapján, az idegpályákon keresztül utasítást küld izmainkhoz, mint beavatkozó szervhez. A beérkező
elektromos ingerek izmainkban mechanikai jellé alakulnak át, ezzel megvalósítva az irányítás célját.
• Felkapcsoljuk a szobában a világítást
– Hogy világos legyen
• A jegybank kamatot csökkent vagy emel
– Az inflációs célkitűzések tartása végett
• Népességszabályozás Kínában
– Az 1-nél több gyereket vállaló szülők nem kapnak állami támogatást
– Önműködő folyamatok (emberi beavatkozás nélkül)
• WC tartály
– Hogy legyen mivel leöblíteni
• Termosztátos olajradiátor
– Hogy meleg legyen a szobában
• Időkapcsolós keringető-szivattyú
– Hogy tiszta legyen a medence vize
• Utasszállító repülő robotpilótája
– Hogy komfortos legyen a repülés
Hűtőszekrény
• A hűtőszekrény hőmérséklet érzékelője „méri” a hőmérsékletét
• Pl. 6,5°C-nál bekapcsol, 6°C-nál kikapcsol
• A belső hőmérséklet nem állandó, 6-6,5°C között ingadozik
• Állandóan nyitva hagyott ajtónál nem képes ellátni a feladatát
• Állásos szabályozás
Blokkolásgátló (ABS)
• A kerék túlzott mértékű lassulása esetén az ABS utasítja a szabályzó szelepeket, hogy a
blokkolást megelőzendő mérsékeljék a féknyomást. Ettől a kerék gyorsulni kezd.
• Ha a kerék túlságosan felgyorsul, az ABS növeli a féknyomást
• Ezt a kört egyes ABS-ek másodpercenként akár 15-20-szor is képesek megtenni.
• Ennek eredménye
– A fékek a maximális lassulás közelében tartják a járművet
– A jármű kormányozható marad
Az irányítás
– Olyan művelet, mely valamely folyamatot elindít, fenntart, megváltoztat vagy megállít
– Az ember részvétele szerint
• Kézi: Az irányítás részműveletei közül egy vagy több emberi közreműködéssel történik.
• Önműködő: Az irányítás emberi beavatkozás nélkül történik.
– Részműveletei:
• Célkitűzés: Az irányított jellemző állandó értékének vagy időbeni változásának előírása.
• Érzékelés: információ szerzése az irányítás tárgyát képező irányítandó berendezésről, folyamatról
• Ítéletalkotás: döntés az információ feldolgozása alapján a beavatkozás szükségességéről.
• Rendelkezés: utasítás a beavatkozásra
• Jelformálás: A beavatkozás mértékének és időbeli lefolyásának beállítása.
• Beavatkozás: az irányítás tárgyát képező berendezés, folyamat befolyásolása
Célkitűzés: az irányítás célja
– Az irányítási rendszerrel szemben támasztott követelmények
• Legyen stabil
• Az alapjelet megfelelően kövesse, vagyis az alapjeltől való eltérés (a hibajel) legyen
minimális. Másképpen fogalmazva, a statikus hiba értéke közelítsen zérushoz.
• A zavaró jelek hatását minimalizálja.
• A paraméterváltozásokra kellően érzéketlen legyen.
• Megfeleljen az egyéb követelményeknek.
Célkitűzés: az irányítás célja
– Az alapjel szerint
• Értéktartás
– A rendszer irányított jellemzője a megkívánt állandó értékű legyen
» Közvilágítás: este is legyenek viszonylag jó látási viszonyok
» Tempomat: az autó haladjon állandó sebességgel
» Fűtésrendszer: a lakás hőmérséklete legyen állandó
• Értékkövetés
– A rendszer irányított jellemzője a megkívánt időbeni lefutású legyen
» Hegesztőrobot: a robot karja kövesse a hegesztési vonalat
» Robotrepülő: az adott pályát követve repüljön
Irányított rendszer, folyamat, berendezés, szakasz
– Az irányítás tárgya, amelyet meghatározott célok elérése érdekében befolyásolni
kívánunk
• Irányított jellemző: Az irányított folyamat azon paramétere, amelyet az előírt módon kívánunk
befolyásolása.
– pl. hőmérséklet adott értéken tartása, pozíció időben előírt értékeinek elérése, stb…
• Módosított jellemző: Az irányított folyamat megváltoztatott jellemzője. Célszerűen ez a
paraméter a leginkább alkalmas az irányított jellemző megváltoztatására.
– pl. hőmérsékletszabályzásnál → fűtőteljesítmény, pozíciószabályozásnál → fordulatszám
• Zavaró jellemző: Olyan hatások, melyek nincsenek az irányító berendezés felügyelete alatt. Az
irányítás egyik fő feladata, hogy a zavaró jellemzők hatását csökkentse vagy megszüntesse.
– pl. hőmérsékletszabályzás – környezeti hőmérséklet ingadozása
Irányított rendszer, folyamat, berendezés, szakasz
– A műszaki, termelési és technológiai folyamatokban rendszerint anyag és/vagy energia
átalakulás történik
– A folyamat jelei:
16
-Irányított rendszer
-Irányított folyamat
-Irányított berendezés
-Irányított szakasz
Energia 1
Anyag 1
Energia 2
Anyag 2
Zavarójelek
Irányító jelek
(módosított jellemzők)
Kimeneti jelek
(Irányított jellemzők)
• Belső jelek (állapot változók)
– Egymás közötti összefüggéseik írják le a
folyamat mozgását
• Bemenő jelek
– A folyamatot érő külső hatások
– Irányító jelek, zavaró jelek
• Kimenő jelek
– A folyamat kívülről megfigyelhető jelei
– A belső mozgásról nyerhető információk
Érzékelők
– Feladata: Az érzékelendő fizikai jellemzővel arányos (általában villamos) jel előállítása
• Hőmérséklet
• Fordulatszám, szöghelyzet
• Gyorsulás, sebesség, távolság
• Nyomás
• Megvilágítás
• Áram, feszültség, teljesítmény, mágneses tér
• Stb…
– Szabványos analóg vagy digitális kimeneti jel
• +4...+20mA
• 0...+10V
• TTL, CMOS, LVDS…
• RS422, RS485, USB
Beavatkozók
– Feladatuk az irányított folyamat közvetlen befolyásolása
– Kapcsolók, relék
– Szelepek
– Villamos gépek
– Pneumatikus, hidraulikus hengerek
– Fűtőtestek
Irányító rendszer, irányító berendezés
– Feladata
• Ítéletalkotás
• Rendelkezés
• Jelformálás
• Rendszerint magában foglalja az érzékelő és beavatkozó szerveket is
– (Információgyűjtés)
– (Beavatkozás)
– Digitális, ritkábban analóg számítógépek
• PC-k (asztali, beágyazott, ipari…)
• Beágyazott jelfeldolgozó áramkörök (mC, DSP, FPGA, CPLD)
• PLC-k (Programmable Logic Controller)
Irányítások osztályozása
• Vezérlés
– Nyílt hatásláncú irányítás, ahol az irányított jellemző nincs (közvetlen) hatással az
irányítási folyamatra, az irányító jel tőle függetlenül alakul ki
• Szabályozás
– Zárt hatásláncú irányítás, ahol az irányított jellemző célkitűzéstől való eltérését
használjuk fel magának az eltérésnek a csökkentésére, megszüntetésére.
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése